La décantation : types, coagulation et floculation - WikiMemoires

La décantation : types, coagulation et floculation


La décantation : types, coagulation et floculation

I.2. Generalites sur la décantation

I.2.1. Introduction
La décantation est une technique de séparation entre les phases solides-liquides, utilisée soit dans les procédés industriels, soit dans les méthodes analytiques, c’est donc un procédé permettant de séparer soit une phase solide des matières en suspension dans un liquide de masse volumique moindre, soit deux phases liquides non miscibles des densités différentes.
Dans les deux cas, l’action consiste à laisser reposer les phases en contact et à attendre un temps suffisant pour qu’elles puissent se séparer sous l’action de la pesanteur, c’est une opération simple mais longue ne nécessitant que peu de matériels donc peu couteuse, toute fois elle est peu sélective, elle ne met en jeu qu’une force extérieure constante, la pesanteur ne nécessite que d’éviter toute agitation ou toute action de mélanger une fois que la séparation est faite.
La décantation est effectuée dans les appareils appelés décanteurs. Ils peuvent jouer trois rôles: la clarification, l’épaississement, le classement dimensionnel ; si c’est la phase liquide ou homogène qui nous intéresse, on parle de la clarification, et par l’épaississement on s’intéresse à la phase solide sous une forme plus concentrée.
Et donc la décantation c’est une technique ayant pour but de séparer les particules solides en suspension dans un liquide par dépôt sous l’action de la force de pesanteur (KOLLER, 2009).
Ce phénomène peut se manifester différemment selon la concentration de la suspension, les caractéristiques propres des particules et les interactions possibles entre elles.
Lorsque les particules solides de masse M, de diamètre d exprimé en m et de masse volumique 𝜌𝑠 se déplacent dans un fluide de masse volumique 𝜌𝑙 (exprimé en kg/m3) et de viscosité µ, préalablement au repos, les particules sont soumises à l’action des trois forces qui sont (KON, 2014):

  • • Le poids, dirigé vers le bas ;
  • • La poussée d’Archimède, fonction de la différence de masse volumique entre la particule et le milieu de fluide, est dirigée vers le haut ;
  • • Les forces de frottement exercées sur la particule par le liquide : il en résulte une force de frottement qui s’oppose au déplacement de la particule. Cette force dépend de la vitesse de la particule, de son volume, de la viscosité du milieu et de sa masse volumique (ces frottements croissent avec le carré de la vitesse relative particule-fluide).

Ceci peut se manifester différemment selon la concentration de la suspension, les caractéristiques propres des particules et les interactions possibles entre elles (KOLLER, 2009).

I.2.2. Résultats de la décantation

A la fin de l’opération, nous disposons de deux produits à savoir :
• Un liquide, souhaité plus claire possible (destiné à l’électrolyse pour le cas de l’hydrométallurgie afin de récupérer les métaux mis en solution par lixiviation, qui est également notre cas) ;
• Une pulpe plus dense contenant la quasi-totalité des impuretés et le minimum de liquide possible.
Cependant, la séparation solide-liquide ne peut en aucun cas être totalement assurée par la seule opération de la décantation, d’où elle se fait en continue. C’est ainsi qu’en minéralurgie la décantation permet d’obtenir une pulpe épaissie à 55-56 % de solides en masse, avant qu’elle ne passe par un filtre pour obtenir un gâteau à 80-90 %, puis un séchage permettant d’obtenir 95 % de solides (exceptionnellement 95-99%).
Ainsi la qualité du résultat est fonction des propriétés spécifiques du système qui sont :

  • • La différence des densités (masse volumique) du solide et du liquide ;
  • • La forme et les caractéristiques superficielles des solides ;
  • • La viscosité du liquide, qui influe sur la vitesse de sédimentation ;
  • • La taille des particules solides et leur distribution granulométrique : les particules les plus fines ont la vitesse de sédimentation la plus lente et les boues en résultant sont moins chargées en solides que lorsqu’il s’agit de particules grossières.

I.2.3. Types de décantation

Du point de vue technique trois grandes modes de décantation sont proposées, il s’agit de la décantation statique, accélérée et lamellaire.
I.2.3.1. Décantation statique
On parle de la décantation statique si l’extraction des boues déposées ainsi que du liquide clair se fait en permanence et séparément ; elle est réalisée dans des bassins rectangulaires ou circulaires avec ou sans raclage des boues (KOLLER, 2009).
I.2.3.2. Décantation accélérée
Cette technique est appliquée à des suspensions diluées avec des solides finement divisés et qui exige un traitement de coagulation et de floculation.
La technique de floculation permet à la fois de former des flocs à partir des fines particules solides (KOLLER, 2009).
I.2.3.3. Décantation lamellaire
Afin d’obtenir des débits importants sans que la cuve atteigne des volumes considérables aux formes prohibitives de très faible hauteur et très grandes surfaces ; on peut équiper la cuve avec des plaques inclinées de 60° et espacé de 10 à 15 cm, elles ont pour rôle de réduire le trajet accompli par les particules solides pour être capté par une paroi et ainsi séparé de la phase liquide(KOLLER, 2009)..
Concernant notre travail, nous étudierons la décantation accélérée avec ajout des réactifs en vue d’augmenter la vitesse de sédimentation pour atteindre une bonne séparation.
I.2.3. Facteurs influençant la décantation
Comme le souligne KOLLER (2009), de nombreux facteurs influencent la décantation; parmi les plus importants, nous pouvons citer :

  • • La nature de la suspension : concentration de la phase solide, débit, température ;
  • • La phase liquide : nature, densité, viscosité, concentration en électrolytes ;
  • • La phase solide : nature, densité, granulométrie, structure (grains, fibres, colloïdes), tendance à l’agglomération;
  • L’opération de décantation : vitesse et courbe de sédimentation, durée de la sédimentation, type d’appareil, mode de fonctionnement, adjuvants;
  • • Les produits résultants : concentration de la phase liquide dans le sédiment, concentration de la phase solide dans la surverse.

Ces facteurs régissent la décantation, l’optimisation et le contrôle de celles-ci confèrent un bon déroulement de l’opération des différents types de décantation.
I.2.4. Coagulation et floculation
En se référant aux facteurs qui influencent la décantation, tels que la concentration en solide de la pulpe et la nature de la phase solide, la vitesse de sédimentation peut être ralentie. Pour le cas où la vitesse de sédimentation est relativement faible, on utilise des réactifs tels que le floculant et le coagulant ou le mélange de deux pour augmenter la vitesse de sédimentation (MOTTOT, 2000).
Pour le cas de notre travail, nous ne nous intéresserons qu’à l’usage des floculants seuls. Un peu plus dans ce travail, nous donnerons plus des détails sur le fonctionnement et l’influence du floculant dans le processus de sédimentation.
Apres lixiviation du minerai, nous obtenons une pulpe constituée des particules qui sont colloïdales qui rendent la suspension stable. Cette stabilité s’explique par la surface des particules qui est chargée négativement, ce qui permet de se repousser les unes sur les autres et les empêche de former des masses plus larges, appelés des flocs.
Elles ne peuvent donc pas décanter. Cette neutralisation peut être effective suite aux phénomènes de la coagulation et de la floculation qui permettent respectivement à annuler le potentiel et à augmenter la taille des microflocs (MOTTOT, 2000).
La coagulation est la déstabilisation de ces colloïdes par la neutralisation des forces qui les tiennent séparées par addition d’un réactif chimique, le coagulant. Elle s’accomplit en général par l’adjonction de coagulants chimiques et par un apport d’énergie nécessaire (MOTTOT, 2000; KATIM, 2015).
Quant à la floculation, c’est l’agglomération de ces particules « déchargées » en micro flocs, puis en flocons volumineux et décantables (MOTTOT, 2000).
La décantation - Coagulation et Floculation (MOTTOT, 2000)
Figure 10: Coagulation et Floculation (MOTTOT, 2000)
I.2.4.1. Floculation
La floculation est l’ensemble de phénomènes physico-chimiques à l’agglomération des particules déstabilisées pour former des flocs denses et volumineux facilement décantables, et pour renforcer leur cohésion. Ce phénomène est réversible, c’est-à-dire que l’on peut casser ces agrégats, par exemple en agitant fortement le liquide, pour retrouver la solution des colloïdes initiales (Mottot, 2000)
Elle met en œuvre deux mécanismes, le premier dit adsorption et le second appelé rétribution. Des réactifs complémentaires (adjuvants) sont utilisés pour améliorer la floculation, les plus répandus étant les polymères organiques de type anionique, cationique ou non ionique.
La floculation peut être rendue possible par :

  • • La collision entre particules ;
  • • La réduction de la charge électrique ;
  • • La floculation par adsorption ;
  • • La coagulation par entrainement ;
  • • La charge d’un floculant.

Les particules qui adhèrent entre elles lors de la floculation, dépendent du type de floculant qui favoriserait leur agrégation.
I.2.4.2.Types des floculants
Du point de vue chimique, les floculants diffèrent par la nature de leur monomère de base, par leurs poids moléculaires et par le caractère ionique de leurs groupements actifs en solution aqueuse, ce qui a permis de les classer en trois catégories (KYABUTA, 2018).

a) Les polymères non ioniques

Ces polymères sont des polyacrylamides de réaction électrique neutre en milieu aqueux et de poids moléculaire plus grand que les autres types des floculants.
Son mode d’action fait intervenir un processus d’adsorption d’une fraction de la chaine polymérique sur un emplacement déterminé de la surface de particules et d’agglomération qui engendre des macroflocs.

b) Les polymères anioniques

Ces polymères sont des macromolécules de poids moléculaire assez grand qui comportent sur leurs chaines des groupements ionisés, carboxyliques ou sulfoniques, chargés négativement.
Ils ont un mode d’action similaire à celui des polymères non ionique.

c) Les polymères cationiques

Ce sont des polymères de faible poids moléculaire qui par l’intermédiaire de leurs groupements ammoniums quaternaires, provoquant la décharge électrique des colloïdes, en venant s’adsorber à l’interface solide-liquide.
Selon leur caractère à pouvoir augmenter la vitesse de sédimentation en formant des agrégations des particules colloïdales, le choix est principalement guidé sur ce caractère mais aussi sur sa nature chimique (YAKOUBI, 2016).
Pour les floculants du type cationique, la vitesse de sédimentation qu’ils donnent aux particules est relativement basse vue qu’ils ne permettent pas cependant la formation des macroflocs. Quant aux floculants de type non ionique et anionique, ils donnent une vitesse de sédimentation aux particules assez importantes (KATIM, 2015; KON, 2014).
Les deux floculants sur lesquels porte notre étude sont le Rheomax et le Superfloc N100 qui sont du type non ionique.
I.2.4.3. Facteurs influençant la floculation

a. Nature du floculant

L’efficacité d’un floculant pour une pulpe donnée va dépendre de différents paramètres tels que:

  • • La charge du floculant (anionique, cationique, neutre) qui est fonction de la charge des particules, elle, à son tour est fonction de la solution, de la nature du solide et de l’acidité ;
  • • La présence des certains radicaux ;
  • • Le degré de ramification de la chaine ;
  • • Le poids moléculaire du floculant.

La viscosité du floculant augmente très rapidement avec la concentration de floculant ainsi que le pH, mais elle diminue avec la température.
Elle empêche le bon mélange du floculant et de la pulpe, cette dernière étant moins visqueuse permet d’obtenir un meilleur mélange avec le floculant, ainsi on augmente la vitesse de sédimentation.

b. Influence de la dose du floculant

La quantité du floculant influence sur la sédimentation des particules solides de la pulpe. Elle favorise une diminution des forces de répulsion entre particules qui par la suite conduit aux collisions des particules et la formation des agrégats.
Ces phénomène est proportionnel à la dose du floculant c’est-à-dire plus la quantité du floculant augmente plus la vitesse de sédimentation est grande. Mais une surdose du polymère produit inévitablement à nouveau une stabilisation des particules colloïdales.
Aussi les sites d’adsorption des particules ne seraient plus disponibles pour la formation des ponts interarticulaires.
Un traitement mal ajusté peut donc conduire à des dépenses d’exploitation non justifiées. Bien souvent, la dose du floculant conditionne le fonctionnement des ouvrages de séparation et il se trouve tout simplement impossible de réaliser la clarification si cette dose est mal ajustée (KON, 2014).

c. Nature de la pulpe

Certaines pulpes sont très sensibles à l’action des floculants, pour celles-ci, un faible ajout d’un des divers floculants permet d’accélérer sensiblement la vitesse de décantation.
D’autres quant à elles qu’avec certains types de floculants bien spécifiques, parfois après ajout préalable d’un réactif spécifique. D’autres encore sont réfractaires à l’utilisation de floculant, même à dose élevée.
L’aptitude de floculer (sédimenter) de la pulpe est fonction de :

  • • La nature de la solution (densité, force ionique, composition chimique),
  • • La nature minéralogique des solides,
  • • La concentration des solides,
  • • La granulométrie
d. Agitation pulpe-floculant

L’intensité de l’agitation d’une pulpe est déterminante puisqu’elle influe sur la vitesse du faite que le mélange doit être suffisant afin de permettre la fixation des floculants sur les particules.
Lorsque l’agitation est trop importante, certains flocs formés seront détruits et une partie du floculant cassée, ce qui diminue son efficacité. Par contre, si le mélange est insuffisant une partie des solides ne sera pas agglomérée par les floculants (KON, 2014).
Pour des pulpes visqueuses, telles que les pulpes des concentrés sulfurés, il est recommandé une faible agitation tandis que pour une pulpe plus moins visqueuse, c’est-à-dire pulpes obtenues chimiquement, il est recommandé une importante agitation.

e. Influence du pH

Le pH est la variable la plus importante à prendre en considération au moment de la floculation. Pour chaque pulpe, il existe une plage de pH pour laquelle la floculation a lieu rapidement, plage qui est fonction du floculant utilisé, de sa concentration et de la composition de la pulpe à traiter.
Lorsque la coagulation et la floculation se produisent hors de cette plage optimale, il faut soit augmenter la quantité du floculant, soit se contenter d’une solution de moins bonne qualité (YAKOUBI, 2016).
Pour les sels de fer et d’aluminium, les plages de pH optimales s’étendent respectivement de 4 à 6 et de 5 à 7. Pour certaines suspensions, il faut parfois corriger le pH à l’aide des divers produits (acides, chaux ou soude) (YAKOUBI, 2016).

f. Influence de la température de la suspension

En tant que chercheur, nous possédons de peu d’informations en ce qui concerne l’influence de la température de la pulpe sur la floculation.
Toutefois, l’expérience révèle que, lorsque la température est très base voisinant 0°C, le floc se décante plus difficilement (YAKOUBI, 2016).

1.2.4.4. Caractéristiques des suspensions

Les particules peuvent sédimenter selon des régimes différents du fait que le comportement de chaque particule est influencé à la fois par la dilution de la suspension et par les interactions entre particules.
On distingue les cas suivants :

* La sédimentation individuelle

Elle est réalisée pour des dilutions importantes. Dans ce cas, chaque particule est suffisamment éloignée de sa voisine, et la vitesse individuelle de sédimentation décroit à mesure que la dilution de la suspension augmente. Pour qu’il y ait décantation des particules les plus fines, il faut qu’elles puissent sédimenter dans un courant ascendant de liquide.
On peut aussi effectuer une séparation granulométrique ou une hydro-séparation, en utilisant l’effet du courant ascendant, les fines particules étant alors évacuées avec le débordement du décanteur.
Elle résulte de la cohésion des particules, elle est réalisée avec ou sans addition d’un agent floculant à la suspension diluée.
On assiste alors à une clarification progressive et il n’y a plus d’interface nette entre le liquide surnageant et les particules en cours de sédimentation. La vitesse du courant ascendant est alors le facteur principal régissant la clarification.

* La sédimentation hétérogène

Elle correspond à un régime particulier où des perturbations interviennent dans la séparation des phases lors de la sédimentation en compression. Certaines pulpes présentent des mouvements locaux intermittents de liquide, ou de suspension diluée de bas en haut.
Ce phénomène peut se traduire à l’interface « liquide claire-pulpe » par le dégagement de bulles. Parfois, il prend naissance dès le régime de sédimentation globale.
Le résultat final est un épaississement plus rapide de la pulpe. La nature exacte des mécanismes mis en jeu est mal connue.
* La sédimentation globale
Elle résulte de la sédimentation d’une suspension concentrée au point que chaque particule ou floc soit en contact avec des entités adjacentes.
On obtient alors une structure plastique et il se produit une sédimentation d’ensemble présentant une interface nette entre le liquide surnageant et la masse boueuse qui décante en piston.
La vitesse de déplacement de cette interface est constante pendant un certain temps.
Les particules gardent les mêmes positions relatives, cependant, en se rapprochant du fond du décanteur elle se forme alors dans le fond du décanteur une zone de décantation supérieure à celle voisine de l’interface et dont la hauteur va en augmentant. Cette zone correspond à l’épaississement des boues.
* La sédimentation en comparaison
Elle prend le relais du régime précédent quand la structure de la pulpe devient suffisamment compacte pour développer une force de compression.
La subsidence de chaque couche est ralentie par le comportement mécanique des couches sous-jacentes, chaque couche étant soumise à une compression qui entraine l’expulsion du liquide et favorise ainsi l’augmentation de la concentration en solides.
Il faut noter que la transition entre les différents régimes se fait de manière continue et le classement qui vient d’être proposé constitue une simplification pour mieux les caractériser.


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